一种螺栓预紧力组合测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种螺栓预紧力组合测试装置及方法。

背景技术

当前，输电线路离不开输电铁塔，输电铁塔是由螺栓连接而成的，螺栓的松动会严重影响输电线路的安全运行，主要的倒塔原因是由于螺栓的松动。由于铁塔建成后螺栓的预紧力会直接影响输电铁塔的承载力，运行后的螺栓预紧力还会下降，因此测试螺栓预紧力就是一个有益的工作。但是目前螺栓预紧力测试还停留在实验室阶段，现场用扭力扳手松开测试也很不准确，少量的螺栓测试也不好代表大数量的螺栓测试需求。

目前市面上常用的检测方法有如下几种：

采用超声波进行不拆卸螺栓检测，这种方法很方便，但需要探头和螺栓间配合精度要求高，通常需要对螺栓接触面进行修麿，对于铁塔现场无法满足接触面条件的时则不能使用。

采用测量螺栓长短轴的方法，需要精密测量工具和测量端面，同样对铁塔现场无法满足接触面条件时不能使用。

采用预装压力传感器的方法，这种方法可以起到实时监测作用，但由于螺栓太多，测量成本无法实现大范围测量，个别螺栓的监测也不能代表整体的螺栓预紧力情况。

视觉测量方法是通过对照螺栓安装前后的位置关系进行检测，不能满足输电铁塔众多的螺栓测量。

智能垫片监测方法，当螺栓松动一定程度后，接点电阻增加，发热引起记忆合金垫片发生形变，这在重要的场合可以使用，还有以电容、电阻、压电、应变为原理的各种垫片，但垫片成本太高，输电铁塔上不适用。

光纤法是通过测量螺栓的长度变形计算螺栓的预紧力，需要在螺栓中心设置光纤，操作难度大，成本高，目前还不能应用到铁塔现场检测中。

公开号为CN105571763B的发明专利公开了一种螺栓预紧力检测方法及装置，方法包括：获取螺栓因被敲击产生的振动信号；从信号样本数据库获取与振动信号对应的预紧力，其中，信号样本数据库包括螺栓受敲击产生的样本振动信号和对应的样本预紧力。该专利是预先对螺栓进行冲击进行试验，形成振动样本库，然后对实际螺栓进行锤击并采集振动数据与试验中先期形成的样本库进行对比，从而确定预应力值。由于实验室样品与实际样品差距较大，其对样品库的要求巨大到无法实现，只能在实验室中应用。对比样品库的方法对于铁塔螺栓来讲是不可行的。

公开号为CN108195535B的专利申请，公开了一种基于非线性激振特征的螺栓结合部松动检测方法及系统，方法包括：对试件的三维模型进行仿真模态分析，确定螺栓结合部局部的激振器和传感器布点位置；根据确定的激振器和传感器布点位置布置激振器和传感器，根据三维模型进行仿真模态分析结果确定激振器的激振参数；保持激振参数不变，对同一类的试件进行预实验，得到螺栓预紧力和高次谐波比例系数之间的对应关系，生成关系数据库；对待测试件进行试验，得到高次谐波比例系数，查询关系数据库，确定待测试件的螺栓预紧力，并根据待测试件的螺栓预紧力判定待测试件的螺栓结合部是否存在松动。该发明采用记录高次谐波所占比例与螺栓预紧力的关系建立原始样品数据库，通过对比记录锤击时产生高次谐波比例与原始样品数据库中的比例关系对比得到预紧力的数值。由于外部激振能量En的大小不同，产生的谐波比例是不同的，因此所建立的原始样品数据库就不准确，现场螺栓连接结构复杂多变，高频谐波的比例更是变化无常，与不准确的原始样品库对比就不能得到准确的螺栓预紧力值，因此这种方法还不适合铁塔现场实际测量。

综上所述，现有技术采用智能垫片法，螺栓中心打孔测量法，视觉测量法等方法，以应变监测、温度监测、变形监测、压力监测等手段因为成本过高而不能适用于现场实际测量工作。振动法不拆卸、不预装检测装置，可以方便应用于现场，简单高效，但现有的振动法采用预设样品库对比法进行测量，由于需要的样品库过于庞大和样品库数据分散度大等因素，不适合现场复杂多变的螺栓连接结构测量预紧力，奇异值分解和支持向量机的螺栓预紧力辨识方法，需要掌握正常值和正常向量，才能分析出奇异值和异常向量。因为螺栓的连接结构多变，干扰因素较多，分析测量技术难度大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种螺栓预紧力组合测试装置及方法，实现不拆卸解决现场铁塔螺栓预紧力测量问题，并且简单、高效。

本发明所采用的技术方案是：一种螺栓预紧力组合测试装置，其包括通过螺栓连接的上板和下板以及螺接在螺栓上并且位于下板下方的螺母，在所述下板的底面上设有下加速度探头，在上板的顶面上设有上加速度探头，在螺栓上设有拾音器。

一种螺栓预紧力组合测试方法，其包括：

利用螺栓螺母将上板和下板连接在一起；

设螺栓的质量为m1，弹性模量为E1，螺栓夹紧长度为L1，上板的质量为m2，弹性模量为E2，板厚为L2，下板的质量为m3，弹性模量为E3，板厚为L3；

若螺栓没有约束，螺栓存在自振频率f1，上板存在自振频率f2，下板存在自振频率f3，螺母存在自振频率f4；

垂直于螺栓位置沿螺栓纵向给一个能量En的激振源，在某t时刻各个部件分别存在各自的运动加速度，螺栓存在加速度a1t，上板存在加速度a2t，下板存在加速度a3t，螺母存在加速度a4t；

给定一个预紧力Fy时，各个部件被约束在一起，各部件在螺栓位置的加速度相同，由于是受迫振动，每个部件相对其它相邻的部件均有作用力，这个作用力同样会产生加速度；

当螺栓预紧力减小时，各部件振动趋向自振频率，其振动加速度也由于螺栓预紧力约束的减小而发生变化，两者的约束力减小时，则会发生次激振动而发出声波，当任意两个部件间相对加速度(即两者加速度的差值)出现不等于零情况时，则会相互碰撞产生次激振动而发出声波，拾音器就会收到次激振动的声波，由于各部件的质量不同，碰撞产生的次激振动频率不同，拾音器检测到的声波频率也不同，根据对提取的频谱进行频率、记数、间隔、幅值，结合激振源的能量分析则可以判断螺栓预紧力的减小程度甚至松动。

进一步的，当螺栓预紧力减小，安装在上、下板上的加速探头会采集到不同的加速度，将两者做差，当差值超过接近于零的临界值a0时，则判定预紧力减少或消失，螺栓发生松动。

进一步的，当螺栓连接结构一定时，产生次激振动声波和上、下板出现加速度差达到临界值，与螺栓预紧力和外来的激振能量En有关，预紧力越大，产生次激振声波和上下板出现加速度差达到临界值所需要的外来的激振能量En也越大，由于外来激振能量En可知，因此可以判断螺栓预紧力的大小。

进一步的，当连接结构一定时，临界值a0是一个常量，通过给定大于预紧力的外部激励条件下，次激振动声波出现时上下板加速度差值就等于临界值a0。

进一步的，铁塔的连接结构分为不同的类型，针对不同的类型进行试验标定；

标定试验时，预紧力的测定是利用特殊空芯的螺栓内置传感器8得到的。

锤击所用锤头为软锤头，如用橡胶材质，锤击时锤头不发出频率大于1500Hz的高频声波。

激振能量En是利用固定在锤头上的加速度传感器得到锤头的加速度ac，然后对加速度进行积分得到的。

标定试验形成激振能量En、临界值a0、螺栓预紧力Fy间的对应关系或对照表格。

首先将特定的螺栓连接结构，安装上对应的传感器，给定的螺栓预紧力Fy，准备好已知质量的锤头开始标定，用固定在锤头上的加速度传感器测得激振锤头的加速度，并计算出激振力能量En，建立外部激振能量En力与锤头运动速度和方向螺栓预紧力Fy间的对应关系或者对照表；

当上下板间加速度传感器出现加速度差值大于临界值a0(拾声器检测出同时出现次激振动声波时)，锤头的运动速度和方向所形成的激振能量En就和要求的螺栓预紧力Fy相对应，外部激振能量En超过预紧力越多，次激振动声波次数也越多，反之越少，当外部激振能量En小于预紧力时，则不会出现次激振动声波，同时加速度差值为零。

进一步的，应用在铁塔上时，粘接对应的加速度探头和拾音器，用预设的激振能量En锤击螺栓，观察次激振动声波和加速度差值，当次激振动声波刚刚出现，加速度差值刚好为临界值时，锤击激振能量En力对应的对照表中预紧力即为螺栓的预紧力。

进一步的，预设的激振能量En按设定的锤头和标定的锤击速度、方向计算得到。

进一步的，在进行标定试验时，利用空芯螺栓内置传感器测定预紧力。

进一步的，锤击所用锤头为软锤头，锤击时锤头不发出频率大于1500Hz的高频声波。

本发明的积极效果为：

本发明利用螺栓连接结构在外部激振能量En作用下的反应与螺栓预紧力的关系进行测量，以被连接件的动态加速度差值以及次激振动声波出现时外部激振能量En的大小来确定螺栓预紧力的大小。可以用简单的外部激励检查螺栓的预紧力大小，判定预紧力是否符合要求，更为简单和高效。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明上、下板加速度差超过临界值时发出次激声波(图中的阴影部分)示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如附图1、2所示，本发明公开了一种螺栓预紧力组合测试装置，包括通过螺栓1连接的上板2和下板3以及螺接在螺栓1上并且位于下板3下方的螺母4，在所述下板3的底面上设有下加速度探头6，在上板2的顶面上设有上加速度探头5，在螺栓1的螺帽上或与装置连接的其它位置设有拾音器设有拾音器7。

本发明的螺栓预紧力组合测试方法，是实验标定法得出参数对照表，再根据该表进行检测。

具体包括如下步骤：

利用螺栓螺母将上板和下板连接在一起；

设螺栓的质量为m1，弹性模量为E1，螺栓夹紧长度(夹紧长度是指被夹紧的板厚度之和)为L1，上板的质量为m2，弹性模量为E2，板厚为L2，下板的质量为m3，弹性模量为E3，板厚为L3。

垂直于螺栓位置沿螺栓纵向给一个一定能量En的激振源。如果螺栓没有约束，各个部件均有自己的固有振动频率，螺栓存在自振频率f1，上板存在自振频率f2，下板存在自振频率f3，螺母存在自振频率f4。当给定一个激振时，在某t时刻各个部件分别存在各自的运动加速度，螺栓存在加速度a1t，上板存在存在加速度a2t，下板存在存在加速度a3t，螺母存在存在加速度a4t。

在预先给定一个较强的预紧力Fy时，各个部件被约束在一起，为受迫振动，各部件在螺栓位置的加速度是一样的。由于是受迫振动，每个部件相对其它相邻的部件均有作用力，这个作用力同样会产生加速度。

当螺栓预紧力减小时，各部件振动趋向自振频率，其振动加速度也由于螺栓预紧力约束的减小而发生变化，当相邻部件相对加速度(即两者加速度的差值)出现不等于零情况时，则会相互碰撞产生次激振动而发出声波，放置在组合结构上的拾音器就会收到次激振动的声波，由于各部件的质量不同，碰撞产生的次激振动频率不同，拾音器检测到的声波频率也不同，根据对提取的频谱进行频率、记数、间隔、幅值，结合激振源的能量分析则可以判断螺栓预紧力的减小程度甚至松动。

同样安装在上下板上的加速探头会采集到不同的加速度，将两者做差，当差值超过接近于零的临界值a0时，则判定预紧力减少或消失，螺栓发生松动。

当螺栓连接结构一定时，产生次激振动声波和上下板出现加速度差达到临界值，与螺栓预紧力和外来的激振能量En有关，预紧力越大，产生次激振声波和上下板出现加速度差达到临界值所需要的外来的激振能量En也越大。由于外来激振能量En可知，因此可以判断螺栓预紧力的大小。又由于上下板加速度差值和次激声波的出现机理一样，因此可以相互参考和验证，提高测试的准确性。

一般地，当激振能量En值对应的标定预紧力大于实际预紧力值时即可出现次激振动声波同时加速度差值大于临界值a0。

当连接结构一定时，临界值a0是一个常量，通过给定大于预紧力的外部激励条件下，次激振动声波出现时上下板加速度差值就等于临界值a0。

铁塔的连接结构分为不同的类型，针对不同的类型，激振能量En和临界值a0进行试验标定，建立预紧力Fy、激振能量En、临界值a0的对应关系，测试时根据该对应关系，用已知的激振能量En、临界值a0可得到螺栓的预紧力Fy。

首先将特定的螺栓连接结构安装上对应的传感器，给定的螺栓预紧力Fy，准备好已知质量的锤头开始标定，用固定在锤头上的加速度传感器测得激振锤头的加速度，并计算出激振能量En，建立外部激振能量En与螺栓预紧力Fy间的对应关系或者对照表。

当上下板间加速度传感器出现加速度差值大于临界值a0(拾声器检测出次激振动声波时)，锤头的激振能量En就和要求的螺栓预紧力Fy相对应，外部激振能量En产生的激振能量En超过预紧力越多，次激振动声波次数也越多，反之越少，当外部激振能量En小于预紧力时，则不会出现。

铁塔上的应用时，按图1粘结加速度探头和拾音器，用预设的激振能量En锤击螺栓，观察次激振动声波和加速度差值，当次激振动声波刚刚出现，加速度差值刚好为临界值，锤击激振能量En对应的对照表中预紧力即为螺栓的预紧力。优选的，预设的激振能量En为按设定的锤头和标定的锤击速度、方向计算得到。

对于信号的处理。加速度探头越小越好，以减少对螺栓连接结构的影响。加速度探头和拾音器采用磁铁吸附与连接件贴合，实现快速连接。加速度差值和声波的提取可以放在同一台设备上，利用现有的信号处理技术进行直接处理并设定声光报警等。锤击所用的锤头可以采用弹簧式，保证锤击力可调和准确。

本发明采用直接记录次激振动声波和振动加速度差值这些在外部激励下螺栓松动信号和外部激振能量En来确定螺栓预紧力容易实现铁塔螺栓预紧力测量。

本发明采用加速度差和次激振动声波组合判据进行测量，较其它的振动方法测量准确可靠，且采用小型的加速度探头和拾声器，现场操作方便、快捷。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。